La termodinámica es la parte de la física que se encarga de la relación entre el calor y el trabajo. En este apartado estudiaremos:

¿Estás preparado?

Relación entre trabajo y calor

Tanto el calor como el trabajo son modos en que los cuerpos y los sistemas transforman su energía. Esto permite establecer un equivalente mecánico del calor. Observa los siguientes ejemplos:

  • De trabajo mecánico a calor: Frota dos bloques de hielo, y comprobarás que se derriten, aún cuando estés en una camara frigorífica a una temperatura menor de 0 ºC
  • De calor a trabajo mecánico: En una máquina de vapor,la expansión del vapor de agua que se calienta produce el desplazamiento del pistón

Trabajo y calor son métodos de transferencia de energía. Utilizan la misma unidad de medida en el Sistema Internacional, el julio ( J ). Además, es habitual utilizar la caloría ( cal ) para medir el calor. La conversión entre calorías y julios viene dada por:

1 cal = 4.184 J ⇔ 1 J = 0.24 cal

Esta relación entre trabajo y calor, que hoy vemos de manera clara, no lo fue hasta el S. XIX. El estudio del trabajo y del calor eran disciplinas separadas: la mecánica y la termología respectivamente. Así también las unidades en que se medían cada uno, julio y caloría. A mediados del S. XIX el científico inglés James Prescott Joule diseñó un dispositivo capaz de medir el equivalente mecánico del calor, estableciendo, así, la equivalencia señalada.

Experimento de Joule

Joule ideó una mágina conformada por una pesa unida a unas aspas por medio de un sistema de poleas, que se encuentran sumergidas en un recipiente de vidrio lleno de agua. Cuando se deja caer la pesa desde la posición A hasta B, tal y como se muestra en la figura, esta pierde su energía potencial invirtiéndose en girar las aspas dentro del líquido. La fricción de las aspas con el agua provoca un aumento de la temperatura del mismo. A partir de los resultados obtenidos con esta máquina se obtuvo la equivalencia establecida anteriormente:

cal = 4.184 ⇔ J = 0.24 cal

Maquina de Joule compuesta por un recipiente de vidrio lleno de agua que contiene unas aspas movidas por la energía potencial de una pesa.

¿Qué estudia la termodinámica?

La termodinámica proviene de dos disciplinas separadas hasta el S.XIX, la termología y la mecánica. La primera se encargaba de los fenómenos exclusivamente térmicos y la segunda trataba el movimiento, la fuerza y el trabajo.

La termodinámica es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.

Tiene las siguientes características:

  • Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de moléculas, átomos o partículas subatómicas
  • Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a evolucionar y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas
  • Sus postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en razonamientos teóricos

Es importante que te familiarices con los conceptos que vamos a introducir a continuación, pues, aunque en una primera aproximación pueden parecer algo abstractos, te permitirían estudiar el comportamiento de sistemas concretos ( un motor, un inflador de aire, etc ) con bastante precisión.

Componentes de un sistema termodinámico

Descripción de un sistema en termodinámica

Sistema

El sistema es la parte del universo que vamos a estudiar. Por ejemplo, un gas, nuestro cuerpo o la atmósfera son ejemplos de sistemas que podemos estudiar desde el punto de vista termodinámica.

Entorno o ambiente

Todo aquello que no es sistema y que se sitúa alrededor de él, se denomina ambiente o entorno. Los sistemas interaccionan con el entorno transfiriendo masa, energía o las dos cosas. En función de ello los sistemas se clasifican en:

Tipo Intercambia Ejemplo
Abierto Masa y energía (trabajo o calor) Reacción química en tubo de ensayo abierto
Cerrado Sólo energía Radiador de calefacción
Aislado Ni materia ni energía Termo para mantener bebidas a temperatura constante
Adiabático Ni materia ni calor, pero si energía en forma de trabajo Termo con tapa que permita variar volumen

Frontera o paredes del sistema

A través de ellas se comunica el sistema con el entorno. Existen los siguientes tipos:

  • Fijas: Mantienen el volumen constante
  • Móviles: El volumen es variable y depende de la presión en el lado del sistema y de la del entorno
  • Conductoras o diatérmanas: Al conducir calor permiten que la temperatura a ambos lados de la misma sea igual
  • Adiabáticas: No conducen calor. Son los aislantes térmicos

Variables y ecuación de estado

Las variables de estado son el conjunto de valores que adoptan ciertas variables físicas y químicas y que nos permiten caracterizar el sistema. A las variables de estado también se las llama funciones de estado. No todos los sistemas termodinámicos tienen el mismo conjunto de variables de estado. En el caso de los gases son:

  • presión
  • volumen
  • masa
  • temperatura

Las variables de estado de una sustancia se relacionan a través de una ecuación de estado propia de la sustancia de manera que, estableciendo un valor a varias de ellas, quedan determinadas el resto. Por ejemplo, se comprueba experimentalmente que si establecemos  el volumen y la temperatura de una determinada cantidad de un gas, su presión no se puede modificar. En este tema nos centraremos a menudo en el estudio de los gases, además de por su relativa simplicidad, por ser de gran interés para el estudio de sistemas termodinámicos como por ejemplo el motor de la máquina de vapor, precursor de los actuales motores. 

La ecuación de estado de los gases ideales sigue la expresión:

p·V=n·R·T

Donde:

  • : Presión. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el pascal ( Pa ) aunque también se suele usar la atmósfera ( atm ). 1 atm = 101325 Pa
  • : Volumen. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es metro cúbico ( m3 ) aunque también se suele usar el litro ( l o L ). 1 L = 1 dm3 = 10-3m3
  • : Número de moles. Se trata de una unidad de masa. Un mol de una sustancia se compone del número de Avogadro, NA =  6.023·1023  de moléculas de esa sustancia,  y su peso coincide con la masa molecular de la sustancia expresada en gramos. La unidad de medida en el Sistema Internacional para el número de moles es el mol ( mol )
  • : Constante universal de los gases. Su valor en unidades del Sistema Internacional es R = 8.31 J / mol·K, aunque también se usa R = 0.083 atm·l / mol·K
  • : Temperatura. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ) aunque también se suele usar el grado centígrado o celsius ( ºC ). T = tC + 273.15

Recuerda que un gas ideal no es más que un gas teórico en el que sus partículas, con desplazamiento aleatorio, no interactúan entre sí. La mayoría de los gases reales, a temperaturas relativamente altas y presiones pequeñas pueden considerarse gases ideales y por tanto podemos aplicar esta expresión como su ecuación de estado en los ejercicios de este tema.

Finalmente, decimos que un sistema ha alcanzado el estado de equilibrio cuando sus variables de estado permanecen constantes. Todas las propiedades del sistema en equilibrio quedan determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas. La termodinámica sólo se ocupa de sistemas en estado de equilibrio.

Variables intensivas y extensivas

  • Intensivas: Son aquellas que no dependen del tamaño del sistema. Por ejemplo la presión, la temperatura, la concentración o la densidad
  • Extensivas: Son aquellas que dependen del tamaño del sistema. Por ejemplo el volumen, la masa o la energía

Las leyes de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica son principios empíricos que no se pueden demostrar por estar basados en la experiencia y no en razonamientos teóricos. Están referidos a sistemas en estado de equilibrio. Son cuatro, aunque los más importantes son el primero y el segundo:

Criterio de signos en termodinámica

Existen dos criterios de signos ampliamente extendidos en termodinámica para relacionar el trabajo y el calor que intercambia un sistema con el entorno:

  1. Criterio de la IUPAC: Se considera positivo todo lo que aumenta la energía del sistema, es decir, calor recibido y trabajo recibido

    Criterio de signos de la IUPAC en termodinámica

  2. Criterio Tradicional: Se considera positivo el calor recibido por el sistema y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno. Este criterio es util en el estudio de máquinas térmicas en el que interesa que el trabajo realizado por las máquinas (el sistema) sea positivo

    Criterio de signos tradicional en termodinámica (propio de máquinas térmicas)

Ficha de ejercicios resueltos

Aquí puedes poner a prueba lo que has aprendido en este apartado.

Criterio de signos para el calor y el trabajo en termodinámica

dificultad

Establece, de acuerdo a los dos criterios de signos estudiados, el signo para el calor y el trabajo en los siguientes sitemas termodinámicos:

  1. Una lámina de metal a 80 ºC  se introduce en un recipiente con agua a -10 º (el sistema es la lámina de metal)
  2. Una cinta elástica es estirada bruscamente
  3. Utilizamos el gas de una botella a presión para inflar un neumático con paredes aislantes (el sistema es el gas)

Cambio de volumen de un gas a presión constante

dificultad

Determina la variación de volumen que experimentan 40 g de oxígeno O2 a presión de 1 atm cuando su temperatura pasa de 25 ºC a 50 ºC.

Ficha de fórmulas

Aquí tienes un completo formulario del apartado ¿Qué es la Termodinámica?. Entendiendo cada fórmula serás capaz de resolver cualquier problema que se te plantee en este nivel.

Pulsa sobre el icono   para exportarlas a cualquier programa externo compatible.

Ecuación de estado de los gases

p·V=n·R·T

Ficha de apartados relacionados

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